基于紅外技術(shù)的路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)研究進展

張佳鵬 曹桂芳 周曉旭

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

基于紅外技術(shù)的路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)研究進展

張佳鵬 曹桂芳 周曉旭

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

基于紅外技術(shù)的路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)是一項基于機器視覺檢測的傳感技術(shù)，可自動連續(xù)監(jiān)測路面結(jié)冰情況，對提高行車安全、收集道路氣象數(shù)據(jù)具有重要的意義。文章將從紅外傳感技術(shù)方面介紹實時路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成，分析了近、中紅外結(jié)冰傳感器在路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)中的檢測原理以及研究進展。

路面結(jié)冰；紅外技術(shù)；預(yù)警系統(tǒng)

我國地域面積廣闊，道路承受的環(huán)境影響不同，再加上全球氣候的異常變化，極端惡劣天氣頻繁發(fā)生，路面結(jié)冰現(xiàn)象時有發(fā)生。路面結(jié)冰導(dǎo)致路面摩察系數(shù)明顯降低，出現(xiàn)車輛打滑、側(cè)滑或車輪空轉(zhuǎn)，極易誘發(fā)嚴(yán)重的交通事故，給國家和人民財產(chǎn)造成巨大的損失。據(jù)統(tǒng)計，道路結(jié)冰引起的交通事故發(fā)生率是干燥路面的10倍[1-2]，如何降低結(jié)冰路面狀況的車輛事故率已成為道路交通運輸(尤其是我國東北部和西部地區(qū))面臨的一大難題。

路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)是一項基于機器視覺檢測的傳感技術(shù)，依靠單一傳感器來實時自動連續(xù)監(jiān)測路面結(jié)冰情況，將收集的路面狀態(tài)信息及時傳達給有關(guān)部門和駕駛員，對降低車輛事故率，提高行車安全具有重要的意義。

一、路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)

路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)主要由傳感系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預(yù)警中心以及預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。傳感系統(tǒng)中的路面?zhèn)鞲衅鲗⒂嘘P(guān)路面狀況信息模擬量轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)化后進入微處理器，在微處理器中依據(jù)一定的處理算法來識別出路面所處的狀況，如濕面、積水量、結(jié)冰厚度、結(jié)冰類型等，然后將這些路面狀況信息通過通信系統(tǒng)發(fā)送到預(yù)警中心進行存儲、管理、分析等，最后由預(yù)警中心來決策向預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)發(fā)送的預(yù)警信息內(nèi)容。

依據(jù)傳感器不同的工作原理，結(jié)冰傳感技術(shù)可以分為光學(xué)法、熱學(xué)法、電學(xué)法、機械法、波導(dǎo)法，具體分類如表1[3-4]所示。表1所列結(jié)冰傳感技術(shù)主要用于飛行器、動力機械表面的結(jié)冰探測。飛行器、動力機械表面基本只受到環(huán)境因素的影響，受其他因素的影響較少，具有較高的測量精度。但在道路應(yīng)用方面，路況比較復(fù)雜，行駛車輛、瀝青性質(zhì)等都會對傳感器的精度造成巨大的影響，只有電容法、振動法、光學(xué)法很少一部分技術(shù)用于路面結(jié)冰探測。此外，電容和振動傳感技術(shù)屬于接觸式傳感技術(shù)，傳感器需要埋設(shè)在路基下，傳感器在安裝、維護、更換方面的費用較高，壽命也較短。因此近年來非接觸式傳感技術(shù)尤其是紅外傳感技術(shù)因其安裝維護簡單、測量精度高、抗干擾小等優(yōu)點在道路結(jié)冰探測上得到了一定的應(yīng)用。紅外結(jié)冰傳感技術(shù)主要分為近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)和中紅外結(jié)冰傳感技術(shù)。

表1 結(jié)冰傳感技術(shù)分類表

二、近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)

(一)近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)原理

近紅外光波長范圍為0.75～3μm，也被稱為反射紅外。近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)的工作原理如圖2所示。近紅外光源發(fā)射近紅外光到路面，光電探測器接收來自路面的反射光，通過微處理器對反射光的解析來判斷路面處于干燥、水面、冰面或雪面。由于近紅外結(jié)冰傳感系統(tǒng)需要近紅外光源提供紅外光，因此也被稱為主動式紅外結(jié)冰傳感技術(shù)。

該技術(shù)能實現(xiàn)路面結(jié)冰檢測的原因在于當(dāng)近紅外光以一定角度照射到道路表面時，反射光的性質(zhì)會發(fā)生明顯改變。反射光的性質(zhì)改變主要有兩個方面，一方面是取決于表面材料，如瀝青、水、冰、雪對紅外光波長的吸收不同；另一方面取決于表面粗糙度，它會影響光的散射方式。當(dāng)路面是干燥的，反射光主要以散射為主。當(dāng)路面被水和冰覆蓋時，路面變得光滑，光的散射會逐漸向鏡面反射轉(zhuǎn)變。當(dāng)路面被雪覆蓋時，反射光仍以散射為主，難以進行檢測，這是由于雪是一種良好的散射體。

圖2 近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)的原理圖

(二)近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)研究進展

按照探測面積的不同，近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)可以分為單點近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)和近紅外成像結(jié)冰傳感技術(shù)。單點近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)由于單一特征反射波長不能較好區(qū)分路面的干、濕、冰、雪狀態(tài)，因此需要使用多個特征波長或波長帶進行路面狀態(tài)的區(qū)分。瑞典中部大學(xué)[5]采用了三種特征波長(960nm、1 550nm和1 950nm)以及數(shù)據(jù)群集的方法，很好的區(qū)分了路面的各種狀態(tài)。實驗中考慮到路面施工現(xiàn)場安裝情況，為了減少安裝架，簡化電源線、設(shè)備等布置方式，采用了同側(cè)布置光源和探測器。瑞典呂勒奧理工大學(xué)(1 310nm和1 550nm)[6]和浙江大學(xué)(880nm和950nm)[7]采用了兩種特征波長，研究表明能較好判斷路面積水、積雪、結(jié)冰情況，對水、雪、冰的厚度測量精度能達90%以上。羅馬第三大學(xué)[8]則采用了波長帶(1 200～1 600nm)，引入了反射光極化因子對比系數(shù)進行了路面狀態(tài)的區(qū)分。

單點近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本低，算法簡單等優(yōu)點在國內(nèi)外得到了一定的應(yīng)用。美國Luff公司的遙感式路面狀況傳感器NIRS31—UMB以及芬蘭Vaisala公司的遙感式路面狀況傳感器DSC111都是基于這一技術(shù)研發(fā)的，這兩套設(shè)備都擁有全套的非介入式路面狀況微處理器，可以檢測路面的水膜厚度、積雪厚度以及結(jié)冰厚度，具有較高的檢測精度[9]。我國測試技術(shù)研究院[10]基于這一技術(shù)自主研發(fā)了一套非接觸式遙感路面狀態(tài)檢測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識別路面覆蓋物的類型，實現(xiàn)了水、冰及雪厚度的計算，已在湖北漢陽高速、連云港汾灌高速以及北京和四川等國內(nèi)多條高速公路上成功應(yīng)用，路面狀態(tài)檢測準(zhǔn)確率達100%。

單點近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)可以精確的區(qū)分路面的不同狀態(tài)，但該技術(shù)存在路面檢測范圍小，車轍和車轍之間的不同路面狀態(tài)可能存在誤報情況等缺點。近紅外成像結(jié)冰傳感技術(shù)可以有效的解決測量范圍小的問題，該技術(shù)的核心在于合適的圖像處理算法。瑞典中部大學(xué)[11]采用近紅外成像儀與不同過濾器的配合，對K-近鄰法(KNN)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(NN)、支持向量機(SVM)、判別分析法(DA)、偏最小二乘法(PLS)以及最短距離算法這六種圖像處理算法進行了比較。研究表明，在實驗室條件下，除最短距離算法外，其他都有94%以上的路面狀況分辨率。在路面現(xiàn)場試驗中，只有KNN和SVM能較好的分辨路面的不同狀況，但KNN算法相對比較耗時，對于實時監(jiān)測不利。近紅外成像結(jié)冰傳感技術(shù)雖然可以很好的分辨路面的不同狀況，但需要依靠合適的圖像處理算法，對處理器性能要求較高，耗時比較多，而且設(shè)備費用比較高，目前實際應(yīng)用較少。

三、中紅外結(jié)冰傳感技術(shù)

(一)中紅外結(jié)冰傳感技術(shù)原理

中紅外光波長范圍為7～14μm，也被稱為熱紅外。這是因為自然界中的任何物體都可以看作是一個紅外輻射源，當(dāng)物體表面溫度高于絕對溫度零度0 K時均會發(fā)生熱輻射，其熱輻射產(chǎn)生的光譜主要是位于紅外波段。物體輻射的紅外線能量大小與物體的溫度以及物體表面性質(zhì)有關(guān)，滿足斯特藩-玻爾茲曼定律R=εσT4，其中：R為輻射量(W·m-2)，ε為輻射系數(shù)，σ為玻爾茲曼常數(shù)(5.67×10-8W·m-2·K-4)，T為絕對溫度(K)。物體表面溫度越高，物體輻射的紅外線波長就越短。由于物體各個部位溫度不同，輻射率不同，紅外探測設(shè)備接收的溫度信號就會不同，通過分析這些溫度信號的改變就可以判斷表面的情況。

中紅外結(jié)冰傳感技術(shù)主要受表面輻射系數(shù)、大氣條件和溫度的影響。輻射系數(shù)的影響主要在于表面材料的不同，導(dǎo)致材料的輻射能力不同。然而干燥瀝青路面的輻射系數(shù)在0.93到0.95之間，水面的輻射系數(shù)在0.93左右，冰面的輻射系數(shù)在0.97到0.98之間。因此即使氣候發(fā)生改變，表面輻射系數(shù)對測量的影響相對較小。大氣條件對測量的影響主要在于空氣中水汽和二氧化碳對紅外線的吸收。圖3為大氣中水汽對紅外線的吸收情況，從圖中可以看出3～4μm，4.5～5μm，8～14μm這三個區(qū)間水蒸氣對紅外光的吸收很少。因此紅外傳感器的工作范圍一般是在8～14μm，大氣對它的影響較小。

(二)中紅外結(jié)冰傳感技術(shù)研究進展

中紅外結(jié)冰傳感技術(shù)的核心在于紅外測溫，

通

圖3 大氣中的水蒸氣對紅外線的吸收圖

過溫度信號的變化來判斷路面狀況。水和冰之間相互轉(zhuǎn)化時會放出大量的熱量，瑞典皇家理工學(xué)院[12]利用這一現(xiàn)象，通過機場現(xiàn)場路面以及實驗室中氣候箱的大量實驗驗證了可以通過紅外溫度儀測定溫度信號來探測瀝青路面的結(jié)冰過程。然而該方法不能測定白霜或者由雪壓實產(chǎn)生的冰面，也不能判斷冰在路面上的存活時間。瑞典中部大學(xué)[13]在紅外測溫儀的基礎(chǔ)上，做了部分紅外熱成像實驗，結(jié)果表明在一定程度上可以通過溫度信號來區(qū)分路面的不同狀況，但分辨率不高。該技術(shù)由于采用相對單一的溫度信號進行路面狀態(tài)監(jiān)測，在很大程度上都有一定的限制。因此，該技術(shù)主要是通過與路面其它一些參數(shù)如濕度、風(fēng)速等配合，形成道路氣象站，從而進行路面狀態(tài)的區(qū)分。

四、結(jié)語

為了提高道路行車安全，實時監(jiān)測路面結(jié)冰已成為保障生命財產(chǎn)安全、避免交通堵塞的迫切需求?；诩t外技術(shù)的路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)因其非接觸式、安裝維護簡單、耐久性強、信號處理簡單等優(yōu)點，在道路結(jié)冰監(jiān)測方面得到了人們越來越大的關(guān)注和研究。此外，該系統(tǒng)收集的路面路況數(shù)據(jù)不僅可以用于道路維護方面，也可以用于道路氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，為建立大型道路氣象數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支持，對發(fā)展智慧交通和推動我國道路交通氣象檢測能力具有重大的意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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2015-09-18

山西省交通動輸廳科技計劃項目(2015-1-25)

TN215

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2095-4263(2015)03-0042-04